七星策略脑深部电刺激与脑机接口技术：神经科学、工程学与临床医学的跨学科融合-华西医院熊博韬/张伟/王伟_应用_神经系统_科学技术

本文作者：熊博韬七星策略，张伟，王伟，四川大学华西医院；本文来源[J].临床外科杂志,2024,32(10):1019-1021.本文转载自医脉通网站，神外前沿转载已获医脉通授权；

随着现代科学技术的迅速发展，神经科学、工程学与临床医学的融合正逐步引领神经系统疾病治疗的变革。脑深部电刺激(deep brain stimulation，DBS)和脑机接口(braincomputer interface，BCI)是这一领域的两项核心技术。

DBS通过植入电极刺激大脑特定区域，调节脑功能，已被广泛应用于运动障碍疾病的临床治疗；BCI通过解码脑电信号，实现病人能够通过脑信号直接控制外部设备，在神经康复领域中展现出巨大的应用潜力。跨学科合作的进一步深化，DBS与BCI技术的结合逐渐成为研究热点，通过技术融合，科学家有望实现更为精确、灵活的神经调控治疗系统。

1.DBS原理和应用

1）DBS原理和结构：DBS是一种将电极植入到脑深部特定功能区，通过电流刺激脑区以调节神经精神活动的治疗技术。基本原理是通过低频或高频脉冲电刺激脑网络，干扰或调节异常的神经电活动，从而实现缓解病症的效果。DBS系统主要由三部分组成：植入大脑的电极、植入体内的延伸导线和脉冲发生器，体外程控仪。

展开剩余86%

2）DBS的临床应用：DBS首先在帕金森病治疗中应用最为广泛和成熟，通过刺激脑深部靶点丘脑底核(STN)或内侧苍白球(Gpi)，能显著改善帕金森病病人的运动症状，如震颤、僵直和运动迟缓等。其次，对于其他运动障碍病，如特发性震颤、肌张力障碍等，DBS临床应用效果显著。此外，在难治性精神障碍方面，DBS对难治性强迫症、抑郁症治疗也显示出潜力。

2.BCI的原理与应用

1）BCI的基本原理：BCI是一种通过直接读取和解码脑电信号来实现人机互动的技术。BCI系统通常包括信号采集、信号处理、特征提取和控制输出等环节，其核心是将脑电活动转化为计算机或其他外部设备的控制指令。BCI能够为那些由于神经损伤或疾病失去运动功能或沟通能力的病人提供替代的交互手段。BCI根据信号采集方式的不同，可以分为侵入性BCI和非侵入性BCI两大类。

2）信号获取与处理技术：侵入性技术通过植入体内电极直接记录脑内神经元活动，具有高空间和时间分辨率。信号处理技术在BCI系统中至关重要，包括信号预处理、特征提取和分类算法。信号预处理通过滤波、去噪等方法提升信号质量，特征提取则从预处理后的信号中提取出与用户意图相关的特征。常用的特征提取方法有时域、频域和空间域分析等。分类算法则利用机器学习和深度学习技术，将提取的特征转化为具体的控制指令。

3）BCI的临床应用：BCI技术已经在帮助瘫痪病人恢复运动功能方面展现出巨大的潜力。通过BCI技术，病人能够直接用脑电信号控制假肢或轮椅，甚至在实验环境中实现对计算机的操控。此外，BCI还在康复医学、神经重塑、语言恢复等领域取得了初步成果。例如，BCI与神经康复训练结合，可以通过重塑大脑中的神经连接来帮助中风病人恢复运动能力。通过植入装置，BCI技术还能够促进卒中病人的感觉功能恢复。

3.DBS与BCI的跨学科融合

1）技术融合的动因：尽管BCI技术具有广阔的应用前景，但其在临床中的实际应用仍然受到一定限制。信号处理的精度和系统的实时性是两个主要的技术挑战。非侵入性BCI受限于脑电信号(EEG)的低信噪比和较差的空间分辨率，导致其控制精度较低；而侵入性BCI虽然具有较高的精度，但其侵入性和设备的长期稳定性仍是临床应用的障碍。与此相对应，传统的DBS是一种单向的治疗方法七星策略，无法读取大脑信号。其疗效高度依赖于刺激参数的精确调整和靶点位置的准确性，而这些调整往往依赖于临床医生的经验。

为了克服这些局限，DBS与BCI技术的跨学科融合已成为神经工程领域的一大热点。这种融合有助于结合两者的优势，弥补各自的不足，形成更为先进的神经调控和信号解读系统。DBS提供了对特定脑区的精准调控，而BCI则可以实时记录和解码大脑的神经活动。通过将DBS与BCI技术结合，能够实现调控神经活动的同时，监测和反馈神经网络的动态变化，从而构建闭环神经调控系统。实现大脑深部BCI。

2）应用前景：DBS与BCI融合技术在多种临床应用中展现出广阔的前景。首先，在运动障碍疾病的治疗中，结合BCI的DBS系统能够实时监测病人的神经活动，并动态调整电刺激参数，从而实现更精准的症状控制。其次，在癫痫治疗中，融合技术可以通过监测脑电活动预警癫痫发作，并利用DBS及时调节异常脑电信号，从而预防发作。此外，在精神疾病的治疗中，BCI可以帮助医生监测病人的精神和情绪状态，DBS则通过调控脑精神环路中枢，治疗相关的精神障碍。

4.DBS与BCI技术融合的实施步骤与临床应用案例

1）多学科融合的具体实施步骤：多学科融合的实施过程通常包括以下几个步骤：

(1)问题定义与需求分析：临床医生提出实际治疗中的需求和问题，神经科学家与工程师共同讨论，明确研究目标和技术指标。

(2)方案设计与原型开发：工程师基于神经科学家的研究成果，设计并开发初步的技术方案和系统原型。在这一阶段，重点是验证技术可行性和进行初步验证。

(3)实验测试与数据分析：在实验室环境中进行系统测试，采集和分析数据以验证系统的有效性和稳定性。神经科学家提供数据解析支持，工程师则负责系统优化。

(4)临床试验与反馈调整：在伦理批准下进行临床试验，由临床医生负责病人招募和手术，并实时监控病人反应和系统性能。团队根据临床反馈共同调整系统参数和算法。

(5)成果评估与推广应用：通过长期随访和数据分析，评估系统的临床效果与应用价值。成功的技术方案将在更大范围内推广应用，并通过不断优化适应更多病人和临床需求。

2）DBS与BCI融合案例与方式：一个典型的成功案例是帕金森病人的闭环DBS治疗。在这个案例中，病人接受DBS手术，通过植入电极对丘脑STN核团进行高频电刺激，以缓解运动症状。传统DBS治疗依赖固定参数，无法根据病人的状态变化动态调整。而通过融合BCI技术，研究团队设计了一种闭环DBS系统，能够实时监测病人的脑电活动，并根据大脑信号的变化，尤其是病理脑电信号特征指引自动调整刺激参数。

在实际应用中，闭环DBS系统显著改善了病人的运动症状，尤其是在减少震颤和僵直方面效果优于传统DBS。同时，该系统还显著降低了副作用的发生率，提升了病人的生活质量。这一成功案例展示了DBS与BCI结合在个性化治疗中的巨大潜力。此外，闭环刺激系统在治疗其他难治性神经精神疾病中也表现出显著的优势。

5.未来展望与挑战

1）新兴技术在DBS与BCI中的潜在应用：随着科技的不断进步，新兴技术在DBS与BCI的结合应用中展现出巨大的潜力。机器学习算法能够显著提高BCI的信号解码精度和实时响应能力，使DBS系统能够更加精准地调整刺激参数，以适应病人的即时需求。纳米技术和生物材料的发展为电极和植入设备的设计提供了新思路，使得更小型、更耐用的电极成为可能，大大降低了手术风险和副作用。

2）跨学科融合的未来发展方向：跨学科融合将是DBS与BCI技术未来发展的关键方向。神经科学、工程学和临床医学的协同合作，将推动技术创新和应用拓展。未来有材料科学、数据科学和生物信息学等学科的加入，也将为该领域注入新的视角和技术支持。例如，材料科学家可以开发出具有更高生物相容性、导电性能优异且高密度的新型电极材料；数据科学家则可以利用大数据和云计算技术，分析大量临床数据，发现新的治疗模式和优化参数的方法，生物学家会探索更精准电生理生物标记物。

3）面临的挑战：

(1)技术难题与解决方案：尽管DBS与BCI技术发展迅速，但仍面临许多技术挑战。首先，信号解码的准确性和实时性问题仍是瓶颈。现有BCI系统在处理复杂的脑电信号时，解码精度和速度不足，影响了其在实际中的应用效果。要解决这一问题，关键在于算法优化和硬件提升，尤其是人工智能和深度学习技术的应用。此外，设备的微型化和耐用性仍需改进，纳米技术和新型生物材料的应用将成为未来研究的重点。系统的个性化和智能化也是未来的重要方向，通过实时监测和动态调整，实现针对每位病人的最佳治疗效果。

(2)伦理、法律与社会问题：DBS与BCI技术的应用还面临诸多伦理、法律和社会问题。首先是隐私保护问题。脑电信号和神经数据属于高度敏感的信息，如何防止数据泄露和滥用，保障病人的隐私，是一个重要的伦理挑战。其次是手术和植入的风险问题。尽管技术不断进步，DBS与BCI的操作仍具有侵入性，存在一定的手术风险和并发症。因此，在应用这些技术时，如何最大程度保障病人的安全，成为亟待解决的问题。

为此，需要制定完善的法律法规和伦理规范，确保这些技术应用的安全性和公平性。政府和科研机构应加强对相关技术的监管，建立严格的数据保护机制，以防止隐私泄露和数据滥用。同时，社会各界也需加强对DBS与BCI技术的科普宣传，提高公众对这些技术的认知和接受度，从而推动技术的合理应用与普及。

6.总结

DBS与BCI技术的跨学科融合，标志着神经科学、工程学和临床医学之间一种新型协作模式的形成。这一融合不仅为治疗神经系统疾病提供了更高效的解决方案，也为未来脑科学的研究及人类能力的增强带来了广阔的前景。尽管目前DBS与BCI的融合技术仍处于早期发展阶段，面临诸多技术和伦理挑战，但其应用前景不可否认。

随着技术的不断进步，DBS与BCI的结合有望在精准神经调控、运动功能恢复以及精神疾病治疗等领域实现重大突破，进一步推动对大脑奥秘的探索。在这一过程中，跨学科合作将继续发挥关键作用，推动更安全、有效、智能化的神经调控技术发展，为人类健康和科学进步带来更大福祉。

神外前沿-中国神经外科新媒体；投稿邮箱：shenwaiqianyan@qq.com（恕不接收一稿多投七星策略，投稿后作者不可审改稿，神外前沿自行修改并择期发布）；任何媒体、网站等机构如需转载或引用，须获得书面授权。

发布于：北京市

益丰配资提示：文章来自网络，不代表本站观点。